मीथेन

मीथेन

Stereo, skeletal formula of methane with some measurements added
Ball and stick model of methane Spacefill model of methane
Names
Preferred IUPAC name Methane
Systematic IUPAC name Carbane (never recommended)
Other names Marsh gas Natural gas Carbon tetrahydride Carburetted hydrogen Hydrogen carbide
Identifiers
CAS Number	74-82-8 Y
3D model (JSmol)	Interactive image
3DMet	B01453
Beilstein Reference	1718732
ChEBI	CHEBI:16183 Y
ChEMBL	ChEMBL17564 Y
ChemSpider	291 Y
EC Number	200-812-7
Gmelin Reference	59
KEGG	C01438 File:X mark.svgN
MeSH	Methane
PubChem CID	297
RTECS number	PA1490000
UNII	OP0UW79H66 Y
UN number	1971
InChI InChI=1S/CH4/h1H4 Y Key: VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N Y
SMILES C
Properties
Chemical formula	CH4
Molar mass	16.043 g·mol−1
Appearance	Colorless gas
Odor	Odorless
Density	0.657 kg·m−3 (gas, 25 °C, 1 atm) 0.717 kg·m−3 (gas, 0 °C, 1 atm) 422.8 g·L−1 (liquid, −162 °C)
Melting point	−182.456 °C (−296.421 °F; 90.694 K)
Boiling point	−161.5 °C (−258.7 °F; 111.6 K)
Critical point (T, P)	190.56 K (−82.59 °C; −116.66 °F), 4.5992 megapascals (45.391 atm)
Solubility in water	22.7 mg·L−1
Solubility	Soluble in ethanol, diethyl ether, benzene, toluene, methanol, acetone and insoluble in water
log P	1.09
Henry's law constant (kH)	14 nmol·Pa−1·kg−1
Conjugate acid	Methanium
Conjugate base	Methyl anion
Magnetic susceptibility (χ)	−17.4×10−6 cm3·mol−1
Structure
Point group	Td
Molecular shape	Tetrahedron
Dipole moment	0 D
Thermochemistry
Heat capacity (C)	35.7 J·(K·mol)−1
Std molar entropy (S⦵298)	186.3 J·(K·mol)−1
Std enthalpy of formation (ΔfH⦵298)	−74.6 kJ·mol−1
Gibbs free energy (ΔfG⦵)	−50.5 kJ·mol−1
Std enthalpy of combustion (ΔcH⦵298)	−891 kJ·mol−1
Hazards
GHS labelling:
Pictograms	GHS02: Flammable
Signal word	Danger
Hazard statements	H220
Precautionary statements	P210
NFPA 704 (fire diamond)	2 4 0 SA
Flash point	−188 °C (−306.4 °F; 85.1 K)
Autoignition temperature	537 °C (999 °F; 810 K)
Explosive limits	4.4–17%
Related compounds
Related alkanes	Methyl iodide Difluoromethane Iodoform Carbon tetrachloride
Except where otherwise noted, data are given for materials in their standard state (at 25 °C [77 °F], 100 kPa). File:X mark.svgN verify (what is YFile:X mark.svgN ?) Infobox references

मीथेन (US: /ˈmɛθeɪn/ MEH-thayn, UK: /ˈmiːθeɪn/ MEE-thayn) एक प्रकार का रासायनिक यौगिक है जिसका रासायनिक सूत्र CH₄ (एक कार्बन परमाणु चार हाइड्रोजन परमाणुओं से जुड़ा हुआ) होता है। यह एक समूह -14 हाइड्राइड, सबसे सरल एल्केन और प्राकृतिक गैस का मुख्य घटक है। पृथ्वी पर मीथेन की आपेक्षिक बहुलता इसे आर्थिक रूप से प्रलोभकारी ईंधन बनाती है, हालांकि तापमान और दाब के लिए सामान्य परिस्थितियों में इसकी गैसीय अवस्था के कारण इसका अभिग्रहण और संग्रहण करना तकनीकी आपत्तियों व्यग्र करता है।

प्राकृतिक रूप से प्राप्त होने वाली मीथेन भूमि के नीचे और समुद्र तल के नीचे पाई जाती है और यह भूवैज्ञानिक और जैविक दोनों प्रक्रियाओं द्वारा बनती है। मीथेन क्लैथ्रेट्स के रूप में मीथेन का सबसे बड़ा संग्रह समुद्र तल के नीचे है। जब मीथेन सतह और वायुमंडल में पहुँचती है, तो इसे वायुमंडलीय मीथेन के रूप में जाना जाता है। 1750 के बाद से पृथ्वी के वायुमंडलीय मीथेन की सघनता में लगभग 150% की वृद्धि हुई है, और यह लंबे समय तक रहने वाले और विश्व स्तर पर मिश्रित ग्रीनहाउस गैसों से कुल विकिरणकारी बल का 20% भाग है। मंगल सहित अन्य ग्रहों पर भी इसका पता लगाया गया है, जिसका खगोल जीव विज्ञान अनुसंधान के लिए निहितार्थ है।

गुण और बंधन

मीथेन चार समतुल्य C-H बंधों वाला एक चतुष्फलकीय अणु हैं। इसकी इलेक्ट्रॉनिक संरचना को C और H पर संयोजी कक्षक के अतिव्यापन से उत्पन्न चार बंधन आणविक कक्षक (MOs) द्वारा वर्णित किया गया है। निम्नतम-ऊर्जा MO, कार्बन पर 2s कक्षक के कलाबद्ध संयोजन के साथ अतिव्यापन का परिणाम है। चार हाइड्रोजन परमाणुओं पर 1s कक्षक। इस ऊर्जा स्तर के ऊपर MOs का एक तिगुना अपह्रासित सेट है जिसमें हाइड्रोजन पर 1s कक्षक के विभिन्न रैखिक संयोजनों के साथ कार्बन पर 2p कक्षक का अतिव्यापन सम्मिलित होता है। परिणामस्वरूप "थ्री-ओवर-वन" बंधन योजना प्रकाशिक इलेक्ट्रॉन (फोटोइलेक्ट्रॉन) स्पेक्ट्रोस्कोपिक मापन के अनुरूप है।

मीथेन एक गंधहीन गैस है और रंगहीन प्रतीत होती है। यह विशेष रूप से अधिस्वरक (ओवरटोन) बैंड के कारण वर्णक्रम (स्पेक्ट्रम) के लाल सिरे पर दृश्य प्रकाश को अवशोषित करता है, परन्तु प्रभाव केवल तभी देखने योग्य होता है जब प्रकाश पथ बहुत लंबा होता है। यही वह है जो यूरेनस और नेपच्यून को उनके नीले या नीले-हरे रंग प्रदान करता है, क्योंकि प्रकाश मीथेन युक्त उनके वातावरण से होकर गुजरता है और फिर पुनः बाहर प्रकीर्णित हो जाता है।

घरों में उपयोग की जाने वाली प्राकृतिक गैस की परिचित गंध एक सुरक्षा उपाय के रूप में सामान्यतः टर्ट-ब्यूटाइलथिओल युक्त गंधक के अतिरिक्त प्राप्त होती है। एक ऐट्मोस्फियर के दाब में मीथेन का क्वथनांक -161.5 °C होता है। एक गैस के रूप में, यह मानक दाब पर वायु में सांद्रता (5.4-17%) की एक सीमा पर ज्वलनशील होता है।

ठोस मीथेन कई उपांतरणों में विद्यमान है। वर्तमान में नौ उपांतरण ज्ञात हैं। सामान्य दाब पर मीथेन को ठंडा करने से मीथेन I बनता है। यह पदार्थ घन प्रणाली (समष्टि समूह Fm3m) में क्रिस्टलीकृत होता है। मीथेन I में हाइड्रोजन परमाणुओं की स्थिति निश्चित नहीं होती है, अर्थात मीथेन के अणु मुक्त रूप से घूर्णन कर सकते हैं। अतः, यह एक प्लास्टिक का क्रिस्टल है।

रासायनिक अभिक्रियाएं

मीथेन की प्राथमिक रासायनिक अभिक्रियाएं दहन, सिनगैस का स्टीम रेफोर्मिंग और हैलोजनीकरण हैं। सामान्यतः, मीथेन अभिक्रियाओं को नियंत्रित करना कठिन होता है।

चयनात्मक ऑक्सीकरण

मीथेन से मेथनॉल का आंशिक ऑक्सीकरण, एक अधिक सुविधाजनक, तरल ईंधन, चुनौतीपूर्ण है क्योंकि ऑक्सीजन की अपर्याप्त आपूर्ति के साथ अभिक्रिया सामान्यतः कार्बन डाइआक्साइड और पानी के सभी तरह से आगे बढ़ती है। एंजाइम मीथेन मोनोऑक्सीजिनेज, मीथेन से मेथनॉल का उत्पादन करता है, परन्तु इसका उपयोग औद्योगिक पैमाने पर होने वाली अभिक्रियाओं के लिए नहीं किया जा सकता है। कुछ सजातीय उत्प्रेरित प्रणालियों और विषम प्रणालियों का विकास किया गया है, परन्तु सभी में महत्वपूर्ण कमियां हैं। ये सामान्यतः संरक्षित उत्पादों को उत्पन्न करके संचालित होते हैं जो अधिक ऑक्सीकरण से सुरक्षित होते हैं। उदाहरणों में कैटालिटिका प्रणाली, कॉपर जिओलाइट्स, और आयरन जिओलाइट्स सम्मिलित हैं जो अल्फा-ऑक्सीजन सक्रिय साइट को स्थिर करते हैं।

जीवाणुओं का एक समूह ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में ऑक्सीडेंट के रूप में नाइट्राइट के साथ मीथेन ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित करता है, जिससे मीथेन के तथाकथित अवायवीय ऑक्सीकरण की उत्पत्ति होती है।

अम्ल–क्षार अभिक्रियाएं

अन्य हाइड्रोकार्बन की तरह, मीथेन एक अत्यधिक दुर्बल अम्ल होता है। डीएमएसओ में इसका pk_a 56 अनुमानित किया गया है। इसे विलयन में अवक्षेपित नहीं किया जा सकता है, परन्तु संयुग्मी क्षार को मिथाइललिथियम जैसे रूपों में जाना जाता है।

मीथेन से प्राप्त विभिन्न प्रकार के धनात्मक आयन प्रेक्षित किए गए हैं, जो अधिकतर कम दाब वाले गैस मिश्रण में अस्थिर प्रजातियों के रूप में उपस्थित होते हैं। इनमें मीथेनियम या मिथाइल धनायन CH⁺
₃, मीथेन धनायन CH⁺
₄, और मेथेनियम या प्रोटोनेटेड मीथेन CH⁺
₅ सम्मिलित हैं। इनमें से कुछ को बाह्य कक्षक में पाए जाते है। मीथेनियम को सुपर-अम्लों के साथ मीथेन से तनुकृत विलयन के रूप में भी उत्पादित किया जा सकता है। CH²⁺
₆ और CH³⁺
₇ जैसे उच्च आवेश वाले धनायनों का सैद्धांतिक रूप से अध्ययन किया गया है और स्थिर होने का अनुमान लगाया गया है।

इसके C–H बंध की प्रबलता होने पर भी, उत्प्रेरकों में गहन रुचि है जो मीथेन (और अन्य कम संख्या वाले एल्केन्स) में C–H बंध सक्रियण की सुगमता प्रदान करते हैं।

दहन

File:The fire within her.jpg

मीथेन बुलबुले को बिना चोट के गीले हाथ पर जलाया जा सकता है।

मीथेन के दहन की ऊष्मा 55.5 MJ/kg है। मीथेन का दहन एक बहुचरणीय अभिक्रिया है जिसका सार संक्षेप इस प्रकार है:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O (ΔH = −891 k J/mol, मानक परिस्थितियों में)

पीटर्स चार चरण रसायन शास्त्र व्यवस्थित रूप से न्यूनीकृत किया गया चार-चरण रसायन है जो मीथेन के दहन की व्याख्या करता है।

मीथेन मूलक (रैडिकल) अभिक्रियाएं

उपयुक्त परिस्थितियों को देखते हुए, मीथेन हैलोजन मूलकों के साथ निम्नानुसार अभिक्रिया करता है:

X• + CH₄ → HX + CH₃•

CH₃• + X₂ → CH₃X + X•

जहाँ X हैलोजन है: फ्लोरीन (F), क्लोरीन (Cl), ब्रोमिन (Br), या आयोडीन (I)। इस प्रक्रिया के लिए इस तंत्र को मुक्त मूलक हैलोजनीकरण कहा जाता है। यह तब शुरू होता है जब यूवी प्रकाश या कुछ अन्य मूलक आरंभकर्ता (जैसे पेरोक्साइड) हलोजन परमाणु का उत्पादन करते हैं। दो-चरण श्रृंखला अभिक्रिया होती है जिसमें हैलोजन परमाणु एक मीथेन अणु से एक हाइड्रोजन परमाणु को अलग कर लेता है, जिसके परिणामस्वरूप एक हाइड्रोजन हलाइड अणु और एक मिथाइल मूलक (CH3•) बनता है। इसके बाद मिथाइल मूलक हैलोजन के एक अणु के साथ अभिक्रिया करके हैलोमीथेन का एक अणु बनाता है, जिसमें उपोत्पाद के रूप में एक नया हैलोजन परमाणु होता है। हैलोजेनेटेड उत्पाद पर इसी तरह की अभिक्रियाएं हो सकती हैं, जिससे अभिक्रिया की स्थिति और हैलोजन-से-मीथेन अनुपात के क्षार पर डायहलोमीथेन, ट्राइहेलोमेथेन और अंततः टेट्राहैलोमीथेन संरचनाओं के साथ हैलोजन परमाणुओं द्वारा अतिरिक्त हाइड्रोजन परमाणुओं के प्रतिस्थापन की ओर अग्रसर होता है।

उपयोग

मीथेन का उपयोग औद्योगिक रासायनिक प्रक्रियाओं में किया जाता है और इसे प्रशीतित तरल (तरलीकृत प्राकृतिक गैस, या एलएनजी) के रूप में ले जाया जा सकता है। जबकि एक प्रशीतित तरल कंटेनर से रिसाव शुरू में ठंडी गैस के बढ़ते घनत्व के कारण वायु से भारी होता है, परिवेश के तापमान पर गैस वायु की तुलना में हल्की होती है। गैस पाइपलाइनें बड़ी मात्रा में प्राकृतिक गैस वितरित करती हैं, जिनमें से मीथेन प्रमुख घटक है।

ईंधन

मीथेन का उपयोग ओवन, घरों, जल ऊष्मक, भट्टों, ऑटोमोबाइल, टर्बाइन आदि के लिए ईंधन के रूप में किया जाता है। सक्रिय कार्बन का उपयोग मीथेन को संगृहीत करने के लिए किया जाता है। परिष्कृत तरल मीथेन का उपयोग रॉकेट ईंधन के रूप में किया जाता है, जब इसे तरल ऑक्सीजन के साथ जोड़ा जाता है, जैसा कि बीई-4 और रैप्टर इंजनों में होता है।

प्राकृतिक गैस के प्रमुख घटक के रूप में, गैस टर्बाइन या भाप जनित्र में ईंधन के रूप में मीथेन के दहन से, विद्युत् उत्पादन के लिए महत्वपूर्ण है। अन्य हाइड्रोकार्बन ईंधन की तुलना में, मीथेन कम कार्बन डाइऑक्साइड का उत्पादन के लिए ऊष्मा की प्रत्येक इकाई मुक्त करता है। लगभग 891 kJ/mol पर, मीथेन की दहन की ऊष्मा किसी भी अन्य हाइड्रोकार्बन की तुलना में कम है, परन्तु दहन की ऊष्मा (891 kJ/mol) का आणविक द्रव्यमान (16.0 g/mol, जिसमें से 12.0 g/mol कार्बन है) से अनुपात दर्शाता है कि मीथेन, सबसे सरल हाइड्रोकार्बन होने के नाते, उत्पन्न करता है। अन्य जटिल हाइड्रोकार्बन की तुलना में प्रति द्रव्यमान इकाई अधिक ताप (55.7 kJ/g)। कई शहरों में घरों को गर्म करने और खाना पकाने के लिए घरों में मीथेन पाइप के जरिए पहुंचाई जाती है। इस संदर्भ में इसे सामान्यतः प्राकृतिक गैस के रूप में जाना जाता है, जिसमें 39 मेगाजूल प्रति घन मीटर या 1,000 बीटीयू प्रति मानक घन फुट की ऊर्जा सामग्री होती है। तरलीकृत प्राकृतिक गैस (एलएनजी) मुख्य रूप से मीथेन (CH₄) है जिसे भंडारण या परिवहन में आसानी के लिए तरल रूप में परिवर्तित किया जाता है।

तरल रॉकेट ईंधन के रूप में, मीथेन छोटे निकास अणुओं के उत्पादन के मिटटी तेल से अधिक लाभ प्रदान करता है। यह रॉकेट मोटर्स के आंतरिक भागों पर कम कालिख जमा करता है, जिससे बूस्टर पुन: उपयोग की कठिनाई कम हो जाती है। निकास का कम आणविक भार भी ऊष्मा ऊर्जा के अंश को बढ़ाता है जो प्रणोदन के लिए उपलब्ध गतिज ऊर्जा के रूप में होता है, जिससे रॉकेट का विशिष्ट आवेग बढ़ता है। तरल मीथेन की एक तापमान सीमा (91-112 K) भी होती है जो लगभग तरल ऑक्सीजन (54-90 K) के अनुकूल होती है।

रासायनिक फीडस्टॉक

प्राकृतिक गैस, जो अधिकतर मीथेन से बनी होती है, का उपयोग औद्योगिक पैमाने पर हाइड्रोजन गैस बनाने के लिए किया जाता है। भाप मीथेन सुधार (एसएमआर), या केवल भाप सुधार के रूप में जाना जाता है, वाणिज्यिक बल्क हाइड्रोजन गैस के उत्पादन की मानक औद्योगिक विधि है। दुनिया भर में (2013) सालाना 50 मिलियन मीट्रिक टन से अधिक का उत्पादन होता है, मुख्यतः प्राकृतिक गैस के एसएमआर से। इस हाइड्रोजन का अधिकांश भाग पेट्रोलियम (परिशोधनशालाएँ) (रिफाइनरि) में, रसायनों के उत्पादन में और खाद्य प्रसंस्करण में उपयोग किया जाता है। अमोनिया के औद्योगिक संश्लेषण में हाइड्रोजन की बहुत बड़ी मात्रा का उपयोग किया जाता है।

उच्च तापमान (700-1100 °C) पर और धातु-क्षारित उत्प्रेरक (निकल) की उपस्थिति में, भाप मीथेन के साथ CO और H₂ का मिश्रण उत्पन्न करने के लिए अभिक्रिया करता है, जिसे "भाप अंगार गैस" या "सिनगैस" कहा जाता है:

CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3 H₂

यह अभिक्रिया प्रभावशाली रूप से ऊष्माशोषी है (ऊष्मा क्षय होता है, ΔHr = 206 kJ/mol)। जल-गैस शिफ्ट अभिक्रिया के माध्यम से पानी के साथ CO की अभिक्रिया से अतिरिक्त हाइड्रोजन प्राप्त होता है:

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂

यह अभिक्रिया हल्की ऊष्माक्षेपी है (गर्मी पैदा करती है, ΔHr = -41 kJ/mol)।

मीथेन भी क्लोरोमीथेन के उत्पादन में मुक्त-मूलक क्लोरीनीकरण के अधीन है, हालांकि मेथनॉल एक अधिक विशिष्ट अग्रदूत है।

मीथेन के प्रत्यक्ष अपघटन के माध्यम से भी हाइड्रोजन का उत्पादन किया जा सकता है, जिसे मीथेन पायरोलिसिस के रूप में भी जाना जाता है। मीथेन अपघटन कम-उत्सर्जन हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एक आशाजनक मार्ग है क्योंकि भाप मीथेन सुधार के विपरीत कोई प्रत्यक्ष कार्बन उत्सर्जन उत्पन्न नहीं होता है। हाइड्रोजन गैस और ठोस कार्बन का उत्पादन करने के लिए मीथेन के बंधनों को तोड़ने के लिए 1200 °C से अधिक तापमान की आवश्यकता होती है। हालांकि, उपयुक्त उत्प्रेरक के उपयोग के माध्यम से अभिक्रिया तापमान को चुने गए उत्प्रेरक के क्षार पर 600 °C - 1000 °C के बीच कम किया जा सकता है। जैसा कि नीचे दिए गए अभिक्रिया समीकरण में दिखाया गया है, यह अभिक्रिया सामान्य रूप से एंडोथर्मिक है।

CH₄(g) → C(s) + 2 H₂(g) ΔH° = 74.8 kJ/mol

उत्पादन

भूवैज्ञानिक मार्ग

See also: जैवभूरसायन

भूगर्भीय मीथेन उत्पादन के लिए दो मुख्य मार्ग हैं (i) कार्बनिक (तापीय रूप से उत्पन्न, या ऊष्मोत्पादक (थर्मोजेनिक)) और (ii) अकार्बनिक (अजैविक)। ऊष्मोत्पादक मीथेन ऊंचे तापमान पर कार्बनिक पदार्थों के टूटने और गहरे तलछटी स्तरों में दाब के कारण होता है। तलछटी घाटियों में अधिकांश मीथेन तापजनित होती है; इसलिए, प्राकृतिक गैस का सबसे महत्वपूर्ण स्रोत ऊष्मोत्पादक मीथेन है। ऊष्मोत्पादक मीथेन घटकों को सामान्यतः अवशेष माना जाता है (पहले के समय से)। सामान्यतः, ऊष्मोत्पादक मीथेन (गहराई पर) का गठन कार्बनिक पदार्थ के टूटने या कार्बनिक संश्लेषण के माध्यम से हो सकता है। दोनों तरीकों में सूक्ष्मजीव (मेथेनोजेनेसिस) सम्मिलित हो सकते हैं, परन्तु यह अकार्बनिक रूप से भी हो सकते हैं। इसमें सम्मिलित प्रक्रियाएं सूक्ष्मजीवों के साथ और उनके बिना भी मीथेन का उपभोग कर सकती हैं।

गहराई पर मीथेन का अधिक महत्वपूर्ण स्रोत (क्रिस्टलीय आधारशिला) अजैविक है। अजैविक का अर्थ है कि मीथेन जैविक गतिविधि के बिना अकार्बनिक यौगिकों से बनाया जाता है, या तो मैगमैटिक प्रक्रियाओं के माध्यम से या वॉटर-रॉक अभिक्रियाओं के माध्यम से जो कम तापमान और दाबों पर होता है, जैसे कि सर्पेंटिनाइजेशन।

जैविक मार्ग

Main article: मेथानोजेनेसिस

पृथ्वी का अधिकांश मीथेन जीव-जनित (बायोजेनिक) है और मेथेनोजेनेसिस द्वारा निर्मित होता है, अवायवीय श्वसन का एक रूप जिसे केवल आर्किया डोमेन के कुछ सदस्यों द्वारा संचालित करने के लिए जाना जाता है। मेथनोगेंस भराव क्षेत्र (लैंडफिल) और अन्य मिट्टी, जुगाली (रूमिनेंट) करने वाले जानवरों (उदाहरण के लिए, मवेशी), दीमक की हिम्मत, और समुद्र तल के नीचे और झीलों के नीचे अनॉक्सी अवसादों स्थान घेर लेते हैं। चावल के खेत पौधों के विकास के दौरान बड़ी मात्रा में मीथेन भी उत्पन्न करते हैं। इन सूक्ष्मजीवों द्वारा इस बहुचरण प्रक्रिया का उपयोग ऊर्जा के लिए किया जाता है। मेथनोजेनेसिस की कुल अभिक्रिया है:

CO₂ + 4H₂→ CH₄ + 2 H₂O

प्रक्रिया में अंतिम चरण एंजाइम मिथाइल कोएंजाइम एम रिडक्टेस (एमसीआर) द्वारा उत्प्रेरित होता है।

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एक्सहेल्ड मीथेन उत्पादन के लिए ऑस्ट्रेलियाई भेड़ का परीक्षण (2001), सीएसआईआरओ

File:The Creation of Methane Within a Ruminant.svg

यह छवि एक जुगाली करने वाली, विशेष रूप से एक भेड़ का प्रतिनिधित्व करती है, जो हाइड्रोलि